CN112108647B - 一种增材制造方法及其使用粉芯丝的制备方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明还公开了一种增材制造方法及其使用粉芯丝的制备方法和装置。粉芯丝是由金属外皮和芯部粉末两部分组成，其中芯部粉末是由不同成分粉末按任意比例混合而成，使得最终化学成分可任意改变。这既保留了混合粉末法具有的化学成分改变的灵活性，又避免了多路送粉技术中粉末输送过程中的不可控影响因素以及多路送丝技术的工艺限制。由此，实现成分任意变化的金属增材制造技术；采用该粉芯丝进行增材制造，可实现零件的三维几何结构和合金成分的多组分3D打印。

Description

一种增材制造方法及其使用粉芯丝的制备方法和装置

【技术领域】

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种增材制造方法及其使用粉芯丝的制备方法和装置。

【背景技术】

增材制造技术采用激光、电弧、等离子弧和电子束等作为热源,将金属粉材/粉芯丝熔化逐层沉积成形出所要求的几何结构的高性能金属零件,具有柔性化、个性化、结构任意、短周期等制造特征。同时，该技术也是一种低能耗、可持续的绿色环保制造技术。特别地是，增材制造技术由于不受零件几何结构的限制，极大地促进了创新设计，为各行各业发展赋能。

当下，在制造任意三维结构(3D)的优势下，增加合金成分任意变化这一维度，实现多组分3D打印成为金属增材制造技术追求的另一目标。该技术扩展了增材制造的材料维度，通过在不同位置对材料进行“按需分配”，实现结构和功能一体化制造。该技术将会给材料加工领域和设计领域带来重要影响，比如现在的梯度材料的制备和高通量材料设计就需要使用该技术。

对于送粉增材制造而言，采用多路送粉在理论上可以实现合金成分的连续任意变化，但是由于不同成分粉末的密度、熔点等性质存在差异，能难保证进入熔池的不同成分粉末按设计要求准确变化。造成这个问题原因有：1.当粉末密度相差较大时，密度轻的粉末受输送气流影响更敏感，容易因粉束漂散而引起成分偏差；2.当粉末熔点相差较大时，熔点低的粉末容易因表面熔化粘结在送粉喷嘴上，从而影响送粉量，有时甚至完全堵死；3.相比高熔点粉末，低熔点粉末因在进入熔池合金化之前的挥发损失而导致成分偏差；4.由于不同粉末的送进方向不同，当熔池形态和尺寸发生变化时，不同送进方向进入熔池的粉末比例就会变化，从而导致合金成分偏差。总之，多路送粉增材制造技术在实际应用中要实现合金成分的精准可控的连续任意变化仍然面临很多挑战。

对于送丝增材制造而言，目前所用粉芯丝都是实心的，其合金成分都是固定不变的。因此，采用单丝送进的增材制造在成形制造过程中无法实现零件合金成分的变化，只有通过多丝送进来实现合金成分的改变。多丝送进技术只能一定程度的改变合金成分，且往往会增加成形过程的复杂性和不确定性，提高工艺控制的难度。比如，电弧多丝送进技术，送丝速度会显著影响电弧的稳定性，因此，送丝速度是不能独立的自由改变的，从而合金成分也不能任意变化。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供本发明的目的是提供一种增材制造方法及其使用粉芯丝的制备方法和装置，通过粉芯丝成分的变化实现金属零件的合金成分精确到点的控制，解决了现有技术中存在的合金成分单一或难以实现成分连续精确变化的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种增材制造方法，增材制造过程使用粉芯丝，所述粉芯丝包括金属外皮，金属外皮内包裹有芯部粉末，所述芯部粉末的合金成分跟随增材制造过程中成形路径的每个单元设定的合金成分变化，每个单元设定的合金成分由零件的三维坐标对应的合金成分转换得到。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述芯部粉末的合金成分粉芯丝的长度改变，粉芯丝的长度和增材制造过程中成形路径相对应。

优选的，所述成形路径的距离d和粉芯丝长度l之间满足关系式：

其中，V_p为增材制造的成形速度，V_w为送丝速度；

通过式(11)，将C(d)转换为C(l)，所述C(l)为合金成分和粉芯丝长度之间的关系，C(d)为合金成分和增材制造成形路径之间的关系。

优选的，合金成分函数C(d)的确定包括以下步骤：

步骤1，建立合金成分和零件模型的三维坐标之间的关系式；

步骤2，根据零件模型的三维坐标，确定零件模型的三维成形路径；

步骤3，将三维成形路径转换为一维成形路径，将三维合金成分函数转换为一维合金成分函数C(d)。

优选的，步骤1中，所述合金成分零件模型三维坐标的集合表达式为：

Q＝{x,y,z,C|x,y,z为零件模型的三维坐标，C为该坐标下对应的成分}

(1)；

步骤2中，所述三维成形路径的计算公式为：

P₃＝{x(t),y(t),z(t)|x(t),y(t),z(t)为t时刻的路径点空间坐标，t为成形时间}(2)优选的，步骤3中，三维成形路径和一维成形路径距离的转换关系式为：

其中，d为成形路径的一维距离。

优选的，所述粉芯丝包括成分编辑段和冗错段，所述成分编辑段的合金成分跟随粉芯丝的长度改变，冗错段中的合金成分为合金主体成分；隔固定长度的成分编辑段为一段冗错段。

优选的，粉芯丝的长度为被拉拔以后的长度，被拉拔后的粉芯丝的合金成分由粉芯丝原始长度对应的粉芯丝的合金成分与拉拔系数相乘得到。

一种粉芯丝的制备装置，包括一个汇总料斗和至少一个分料料斗，每一个分料料斗通过螺杆送粉器和汇总料斗连接，每一个螺杆送粉器的外端部设置有电机；分料料斗的下方设置有盛接合金粉末的金属槽。

优选的，将金属带制造成为长条状的金属槽，将各个金属粉末放置于分料料斗中，分料料斗中的金属粉末通过螺杆送粉器加入至长条状的金属槽中，加料过程中，金属槽始终向前运动，将金属槽合缝后，粉芯丝制备结束；

所述金属槽的截面为U型，V型或矩形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种增材制造方法，粉芯丝是由金属外皮和芯部粉末两部分组成，其中芯部粉末是由不同成分粉末按任意比例混合而成，使得最终化学成分可任意改变。这既保留了混合粉末法具有的化学成分改变的灵活性，又避免了多路送粉技术中粉末输送过程中的不可控影响因素以及多路送丝技术的工艺限制。由此，实现成分任意变化的金属增材制造技术；采用该粉芯丝进行增材制造，可实现零件的三维几何结构和合金成分的多组分3D打印。

进一步的，该方法以目标零件的三维坐标为基础，基于成形零件的成分要求，结合增材制造的成形路径和成形工艺，建立粉芯丝的成分随长度的变化关系；该设计方法使得粉芯丝的合金成分可按目标零件的部位需求进行编辑，实现粉芯丝中合金成分的精准可控的连续任意变化。

进一步的，该成分路径中还包括冗错段对应的合金成分，当增材制造成形过程的误差累积达到一定程度或出现偶然性错误时，利用冗错段，通过在线实时监测校准进行自动纠错，从而提高增材制造零件的成分编辑精度。

本发明还公开了一种粉芯丝的制备装置及制备粉方法，该装置通过将各个金属粉末放置在分料料斗中，分料料斗中的金属粉末通过螺杆送粉器加入至汇总料斗中，该装置和方法通过调节各个螺杆送粉器的启停、送粉速度和送粉时间，使得能够长条状的金属槽中各个位置配置不同成分的合金粉末。

【附图说明】

图1为本发明实例1中所述的沉积路径及粉芯丝规划示意图；

图2为本发明实例1中所述的送粉器示意图；

图3为本发明实例1中所述的成形过程示意图；

图4为本发明实例2中所述的沉积路径规划示意图；

其中，1-汇总料斗；2-分料料斗；3-螺杆送粉器；4-电机；5-送粉嘴；6-金属带材；7-粉芯丝；8-送丝机构；9-能量束；10-已成形部分。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

步骤1，确定粉芯丝的长度和粉芯丝的成分之间的关系式

步骤1.1，对目标零件进行三维建模，获得零件的空间三维坐标。同时，根据零件设计要求，确定三维坐标对应的合金成分，其集合表达式为：

Q＝{x,y,z,C|x,y,z为零件模型的三维坐标，C为该坐标下对应的成分} (1)

每个三维坐标点与该点的成分存在一一对应关系，因此合金成分可看成是三维坐标的函数C(x,y,z)。

步骤1.2，根据零件模型的三维坐标，进一步设计零件模型的三维成形路径P₃，

P₃＝{x(t),y(t),z(t)|x(t),y(t),z(t)为t时刻的路径点空间坐标，t为成形时间} (2)

步骤1.3，确定零件成形速度和位置的关系，计算成形速度。

在某个时刻的三维路径上，对上式(2)中的各个方向的速度求偏导，如下式所示：

因此，在某个坐标点的成形速度的计算公式为：

所述

为p点成形速度的矢量。

相对应的，成形速度数值的计算公式为：

步骤1.4，将三维成形路径转换为一维成形路径，将三维合金成分的转变一维合金成分。

将三维成形路径P₃＝{x(t),y(t),z(t)}按照坐标转化法则转化为一维成形路径P₁，P₁的公式为：

P₁＝{d(t)} (7)

其中d反映成形路径的一维距离，两者转换关系为：

同理按照法则可将合金成分函数C(x,y,z)转化为C(d)，具体来说，从公式(1)可知每一个三维坐标对应一个合金成分，设定成形路径根据距离分为一个个的单元，因此成形路径上的合金成分根据成形路径的每个单元进行改变，每个单元的合金成分由三维坐标对应的合金成分转换而来，具体的，通过三维坐标转换法则，如household，将三维坐标对应的合金成分函数C(x,y,z)转换为一维的合金成分C(d)。

步骤1.5以成形路径和粉芯丝长度的转换，确定粉芯丝长度的合金成分变化关系。

步骤1.5.1确定一维成形路径和粉芯丝长度之间关系

增材制造过程中，某一点成形速度的计算式为

送丝速度为：

其中l为粉芯丝的长度。

将式(9)和式(10)联立可以确定成形路径距离d和粉芯丝长度l之间满足关系：

步骤1.5.2，将合金成分与三维坐标的位置关系转换为合金成分和成形路径C(d)的关系。

通过式(11)，可以将合金成分函数C(d)转换为C(l)，即得到粉芯丝在长度方向的合金成分变化。

同时，考虑到在沉积过程中可能因为各种不可预知因素造成沉积错误，在粉芯丝中每隔一段距离添加长度为a成分为c(c通常为合金主体成分)的冗错段，并得到最终粉芯丝的成分编辑公式，

实施过程中，如果打印过程没有错误，冗错段就打印在其他不是零件的位置上，如果打印的这一层出现了错误，那么冗错段就把这一层打印满，如果还有剩余就继续打在其他不是零件的位置，直到下一层开始。

第二步：根据粉芯丝的长度和粉芯丝的成分编辑公式W，制备粉芯丝，粉芯丝制备流程包括以下步骤：

将金属带进行轧制，轧制后形成上部开口，下部为实底的长条状金属槽6，金属槽6的横截面能够为U型，V型或矩形，然后将按比例配制好的粉末加入长条状的金属槽6，将不同成分的合金粉末分别置于相应的粉斗中，实时控制不同粉斗送往U型带中的粉末量，使得金属带中的粉末成分随着成分变化的不同而不同，最后合缝并经过多次拉拔至所要求的线径。由于粉芯丝拉拔对长度会产生影响，在此引进入拉拔系数m，

则拉拔前对应的成分编辑公式为：

其中l′＝l/m,a′＝a/m，假设U型带的运动速度为V_U，则需控制送进粉末合金成分随时间的变化为C(l′/V_u)。

为实现上述过程，本发明还提供了一种应用于增材制造的粉芯丝制造装置，参见图2，包括汇总料斗1、至少一个分料料斗2、螺杆送粉器3、电机4和送粉嘴5，每一个汇总料斗1和若干个螺杆送粉器3的内端连通，每一个螺杆送粉器3的外端连接有一个电机4，每一个螺杆送器3的外端上部设置有一个分料粉斗2，汇总料斗1的下端连通有一个送粉嘴5，送粉嘴5在金属槽6的正上方，送粉嘴5上端面的面积大于下端面，使得粉料从送粉嘴5流入至金属槽6时，能够留入至较细的金属槽6的开口处，防止漏料。分料料斗2的设置数量根据需要加入的合金种类确定，每一个分料料斗2内放置有一类金属粉末，也能够多个粉料料斗2内放置有同一类金属粉末。

分料料斗2的下部设置有挡料板，挡料板2开启受控于上位机，电机4的转动也受控于上位机，上位机根据带材长度不同位置对粉芯成分的限制和要求，控制分料料斗2挡料板的开启和关闭，以及每一个电机4的启停，电机4带动其对应你的螺杆送料器3向汇总料斗1内运料。金属槽6填满料后，对开口的上端面进行合缝。螺杆送料器3中螺杆的旋转速度决定粉末的送进速度。通过实时控制不同螺杆送粉器3的螺杆转速，使不同成分粉末按着所要求的配比剂量送进，实现粉芯丝的成分可任意编辑。

第三步：采用制造出的粉芯丝进行增材制造成形。参见图3为成形过程，被拉拔后的粉芯丝7被送丝机构8送入至能量束9的下方，金属粉芯丝的外皮熔断后，粉芯开始成形，进行增材制造，增材制造过程中，通过移动打印喷头，使得能量束9移动，完成按照打印路径打印的目的。设置成形路径为P，成形速度为V_p，送丝速度为V_w，热源能量输入自行优化确定。在成形过程中，利用冗错段对合金成分和空间位置的对应关系进行在线实时自动校准，保证零件的高精度增材制造。

下面结合具体的实施例对过程进一步说明：

实施例1

如图1-图3所示。根据图1，对于给定的零件成分合集Q＝{x,y,z,C},由成分A、B间隔组成，其中成分与位置的函数关系为：

按照图1规划三维成形路径

P₃

＝{(1,1,0,C_A)……(5,1,0,C_A),(5,2,0,C_B)……(1,2,0,C_B),(1,3,0,C_A)……(5,3,0,C_A),(5,4,0,C_B)……(1,4,0,C_B)(1,5,0,C_A)……(5,5,0,C_A)；(1,1,1,C_A)……(5,1,1,C_A),(5,2,1,C_B)……(1,2,1,C_B),(1,3,1,C_A)……(5,3,1,C_A),(5,4,1,C_B)……(1,4,1,C_B)(1,5,1,C_A)……(5,5,1,C_A)；……}。

通过坐标转化法则，可将本例中的三维成形路径P₃＝{x,y,C}转化为一维成形路径P₁＝

{d,C}，其中

故

P₁＝{(1,C_A),(2,C_B),(3,C_A)…(25,C_A)；(26,C_A)…} (13)

同理，按照此法则可把合金成分函数C(x,y,z)转变为一维成分函数：

C(d)＝{(1,C_A),(2,C_B),(3,C_A)…(25,C_A)；(26,C_A)…}。 (14)

设置送丝速度为

其中l为粉芯丝的长度。其中，一维成形路径距离d和粉芯丝长度l之间满足关系：

(本例中设

)。因此，联立上述公式，可得本例中，粉芯丝长度和合金位置的关系式：

C(l)＝{(1.2,C_A),(2.4,C_B),(3.6,C_A)…(30,C_A)；(31.2,C_A)…} (15)

并且，在粉芯丝末端添加长度为a(本例中设a＝4)成分为c(c通常为合金主体成分)的冗错段，则最终得到粉芯丝的成分编辑公式：

W＝{(1.2,C_A),(2.4,C_B),(3.6,C_A)…(30,C_A)；(34,c)(35.2,C_A)…} (16)

接下来，根据已经生成的粉芯丝的成分编辑公式W进行粉芯丝制备。首先，将金属带轧制呈U型，然后将按比例配制好的粉末A、B加入U型带中，最后合缝并经过多次拉拔至所要求的线径。将拉拔系数设为m，

(本例中设m＝0.5)，则拉拔前对应的成分编辑公式为

W′＝{(0.6,C_A),(1.2,C_B),(1.8,C_A)…(15,C_A)；(17,c)(17.6,C_A)…} (17)

紧接着，如图2，将合金粉末A、B分别置于相应的粉斗中，实时控制不同粉斗送往U型带中的粉末量。将U型带的运动速度设为V_U，控制送进粉末合金成分随时间的变化为C(l′/V_u)。

采用制备的粉芯丝进行增材制造成形，如图3所示。设置成形路径为P，成形速度为V_p，送丝速度为V_w，热源能量输入自行优化确定。在成形过程中，利用冗错段对合金成分和空间位置的对应关系进行在线实时自动校准，如图1所示，在每一层开始沉积之前，设置一定区域的冗余区，如有必要，每一层开始沉积前可利用冗余区自行校准，以保证零件的高精度增材制造。

实施例2

本申请一个典型的实施方式中，如图2-图4所示。根据图4，对于给定的零件成分合集Q＝{ρ,θ,z,C},由成分A、B间隔组成，其中成分

并且，成形速度为

进一步地，规划三维成形路径

并按照坐标转化法则将三维成形路径P₃{ρ,θ,C}转化为一维成形路径

同理，按照此法则可将三维合金成分函数转变为一维合金成分函数

设置送丝速度为

其中l为粉芯丝的长度。其中，一维成形路径距离d和粉芯丝长度l之间满足关系：

(本例中设

)。因此，联立上述公式，可得本例中

并且，在粉芯丝末端添加长度为a(本例中设a＝2.3)成分为c(c通常为合金主体成分)的冗错段，则最终得到粉芯丝的成分编辑公式

接下来，根据已经生成的粉芯丝的成分编辑公式W进行粉芯丝制备。首先，将金属带轧制呈U型，然后将按比例配制好的粉末A、B加入U型带中，最后合缝并经过多次拉拔至所要求的线径。将拉拔系数设为m，

(本例中设m＝1)，则拉拔前对应的成分编辑公式为

紧接着，如图2，将合金粉末A、B分别置于相应的粉斗中，实时控制不同粉斗送往U型带中的粉末量。将U型带的运动速度设为V_U，控制送进粉末合金成分随时间的变化为C(l′/V_u)。

采用制备的粉芯丝进行增材制造成形，如图3所示。设置成形路径为P，成形速度为V_p，送丝速度为V_w，热源能量输入自行优化确定。在成形过程中，利用冗错段对合金成分和空间位置的对应关系进行在线实时自动校准，如图4所示，在每一层开始沉积之前，设置一定区域的冗余区，如有必要，每一层开始沉积前可利用冗余区自行校准，以保证零件的高精度增材制造。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种增材制造方法，其特征在于，增材制造过程使用粉芯丝，所述粉芯丝包括金属外皮，金属外皮内包裹有芯部粉末，所述芯部粉末的合金成分跟随增材制造过程中成形路径的每个单元设定的合金成分变化，每个单元设定的合金成分由零件的三维坐标对应的合金成分转换得到；

所述芯部粉末的合金成分跟随粉芯丝的长度改变，粉芯丝的长度和增材制造过程中成形路径相对应；

所述成形路径的一维距离d和粉芯丝长度l之间满足关系式：

其中，V_p为增材制造的成形速度，V_w为送丝速度；

通过式(11)，将C(d)转换为C(l)，所述C(l)为合金成分和粉芯丝长度之间的关系，C(d)为合金成分和增材制造成形路径之间的关系；

所述粉芯丝包括成分编辑段和冗错段，所述成分编辑段的合金成分跟随粉芯丝的长度改变，冗错段中的合金成分为合金主体成分；隔固定长度的成分编辑段为一段冗错段。

2.根据权利要求1所述的一种增材制造方法，其特征在于，合金成分函数C(d)的确定包括以下步骤：

步骤1，建立合金成分和零件模型的三维坐标之间的关系式；

步骤2，根据零件模型的三维坐标，确定零件模型的三维成形路径；

步骤3，将三维成形路径转换为一维成形路径，将三维合金成分函数转换为一维合金成分函数C(d)。

3.根据权利要求2所述的一种增材制造方法，其特征在于，步骤1中，所述合金成分零件模型三维坐标的集合表达式为：

Q＝{x,y,z,C|x,y,z为零件模型的三维坐标，C为该坐标下对应的成分} (1)；

步骤2中，所述三维成形路径的计算公式为：

P₃＝{x(t),y(t),z(t)|x(t),y(t),z(t)为t时刻的路径点空间坐标，t为成形时间}(2)。

4.根据权利要求2所述的一种增材制造方法，其特征在于，步骤3中，三维成形路径和一维成形路径距离的转换关系式为：

其中，d为成形路径的一维距离。

5.根据权利要求1所述的一种增材制造方法，其特征在于，粉芯丝的长度为被拉拔以后的长度，被拉拔后的粉芯丝的合金成分由粉芯丝原始长度对应的粉芯丝的合金成分与拉拔系数相乘得到。

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